(57)【要約】【課題】二次元的な位置検出だけでなく、二次元平面内における回転も検出できる二次元位置検出装置を提供する。【解決手段】  固定部材１０に対して相対的に二次元平面内において移動する移動部材２０と、前記固定部材１０および移動部材２０の一方に固定された光源２１および他方に固定された、前記光源から発された光を受光して受光位置を検出する二次元位置検出素子１１とを備え、前記光源２１は、所定間隔で設けられた２個のＬＥＤ２２ａ、２２ｂを備え、ＬＥＤ２２ａ、２２ｂを交互に発光させて、前記二次元位置検出素子１１が検出した連続的なＬＥＤ２２ａ、２２ｂの光を受光位置データを１組として、異なる２組の位置データに基づいて、前記移動部材２０の移動方向、移動距離および回転を演算する演算制御回路４１を備えた。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部材に対して相対的に二次元平面内において移動する移動部材と、前記固定部材および移動部材の一方に固定された光源および他方に固定された、前記光源から発された光を受光して受光位置を検出する二次元位置検出素子とを備え、
前記光源は、所定間隔で設けられた複数個の発光素子を備え、
前記複数個の発光素子を所定順で択一的に発光させる発光制御手段と、
前記二次元位置検出素子が検出した連続的に発光させた異なる発光素子の受光位置データを１組として、異なる２組の位置データに基づいて、前記移動部材の移動方向、移動距離および回転を演算する演算手段を備えたことを特徴とする二次元位置検出装置。
【請求項２】
前記発光素子は２個であって、前記発光制御手段は、該２個の発光素子を同一間隔で交互に発光させる請求項１記載の二次元位置検出装置。
【請求項３】
前記移動部材は、前記固定部材に対して回動自在に支持されている請求項１または２記載の二次元位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次元的に移動する物体の位置を検出する、二次元位置検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、最大移動量が数mm程度の平面領域内を移動する物体の位置検出手段としては、二次元位置検出素子（ＰＳＤ）と光源（ＬＥＤ）を固定側と移動側に配置して、二次元位置検出素子に入射する光源光の位置を検出することで、固定側に対する移動側の相対位置を検出するものが知られている（特許文献１）。
【特許文献１】特開2001-117129号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら従来の二次元位置検出素子は、二次元的な軌跡で移動する物体の位置、移動方向および移動量を検出することはできるが、物体が二次元平面内において回転した場合にはその回転を検出することができなかった。
【０００４】
本発明は、かかる従来の二次元位置検出装置の問題に鑑みてなされたものであって、二次元的な位置検出だけでなく、二次元平面内における回転も検出できる二次元位置検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的を達成する本発明は、固定部材に対して相対的に二次元平面内において移動する移動部材と、前記固定部材および移動部材の一方に固定された光源および他方に固定された、前記光源から発された光を受光して受光位置を検出する二次元位置検出素子とを備え、前記光源は、所定間隔で設けられた複数個の発光素子を備え、前記複数個の発光素子を所定順で択一的に発光させる発光制御手段と、前記二次元位置検出素子が検出した連続的に発光させた異なる発光素子の受光位置データを１組として、異なる２組の位置データに基づいて、前記移動部材の移動方向、移動距離および回転を演算する演算手段を備えたことに特徴を有する。
【０００６】
好ましい実施形態では、前記発光素子は２個であって、前記発光制御手段は、該２個の発光素子を同一間隔で交互に発光させる。
本発明は、固定部材に対して回動自在に支持された移動部材の位置、回転を検出できる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、複数の発光素子を備え、位置検出素子はこれらの複数の発光素子から発せられた光の受光位置をそれぞれ検出することができるので、相対移動する可動部材の位置、座標だけでなく、回転も検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施について、添付の図面を参照して説明する。図１は、本発明を適用した二次元位置検出装置の側面図、図２は同二次元位置検出装置の二次元位置検出素子の受光面を示す図である。この実施形態では、固定部材に対して二次元平面内において移動および回転する移動する物体の位置検出するための配置構成を示している。
【０００９】
可動基板２０は、固定基板１０に対して平行に配置され、平行を保って、紙面に沿った矢印方向（Ｘ方向）、紙面と直交する方向（Ｙ方向）に移動可能にかつこれらの二方向を含む面と直交する方向の任意の軸を軸心として回動可能に支持されている。
【００１０】
固定基板１０には１個の二次元位置検出素子（ＰＳＤ）１１が、その受光面１２が可動基板２０の移動軌跡面に対して平行になるように固定されている。一方可動基板２０には、二次元位置検出素子１１の受光面１２と対向する位置に光源２１が固定されている。
【００１１】
光源２１には、２個の発光素子として２個のＬＥＤ２２ａ、２２ｂが内蔵されている。各ＬＥＤ２２ａ、２２ｂの前方、つまり二次元位置検出素子１１側にはスポットマスク２３が配置されている。スポットマスク２３には、ＬＥＤ２２ａ、２２ｂから射出された光を通す小孔２３ａ、２３ｂが穿たれていて、各小孔２３ａ、２３ｂから射出した光はそれぞれ、二次元位置検出素子１１の受光面１２にスポットａ、ｂとして入射する。この実施形態では、図３にタイミングチャートを示したように、ＬＥＤ２２ａ、２２ｂを交互に等間隔でオン／オフさせて交互に発光させて、二次元位置検出素子１１の受光面１２にＬＥＤ２２ａのスポットａおよびＬＥＤ２２ｂのスポットｂを交互に入射させて、それぞれのスポットａ、ｂの入射位置を独立して検出する。
【００１２】
図４に、この二次元位置検出装置の回路構成をブロックで示した。ＬＥＤ２２ａ、２２ｂは、演算制御回路４１により制御される駆動回路４３ａ、４３ｂを介してオン／オフ駆動される。二次元位置検出素子１１は、ＬＥＤ２２ａまたはＬＥＤ２２ｂが点灯された状態において、スポットａまたはスポットｂを受光した位置に応じた検出信号（電流）を、４個の出力端子１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄから出力する。各出力端子１３ａ乃至１３ｄから出力された検出信号は、演算制御回路４１に入力され、演算制御回路４１は、これらの４個の出力に基づいて、受光面１２におけるスポットａ、ｂの入射位置を検出し、Ｘ方向の位置およびＹ方向の位置、あるいは座標（ｘ、ｙ）を算出する。さらに演算制御回路４１は、一定の時間が経過した少なくとも一対２組のスポットａ、ｂの入射位置を検出し、内蔵メモリにメモリして、これら一対２組の入射位置データに基づいて、ＬＥＤ２２ａ、２２ｂの移動方向、移動距離、さらに回転角を算出する。
【００１３】
図２には、初期状態における各ＬＥＤ２２ａ、２２ｂのスポットａ、ｂを白抜きの円として示してある。二次元位置検出素子１１によって検出したスポットａの座標を（ｘa0、ｙa0）、スポットｂの座標を（ｘb0、ｙb0）とする。この初期状態から可動基板２０が回転しながら移動し、各ＬＥＤ２２ａ、２２ｂのスポットａ、ｂが受光面１２上にスポットａ１、ｂ１に移動したとする。二次元位置検出素子１１の出力から求めた、スポットａ１の座標を（ｘa1、ｙa1）、スポットｂ１の座標を（ｘb1、ｙb1）とする。
【００１４】
これら一対二組のスポットａ、ｂの座標（ｘa0、ｙa0）、（ｘb0、ｙb0）およびスポットａ1、ｂ1の座標（ｘa1、ｙa1）、（ｘb1、ｙb1）から、スポットａ、スポットａ１間のＸ方向の距離ΔＸおよびＹ方向の距離ΔＹと、スポットａ0とスポットｂ0のＸ方向の距離（スポットａとスポットｂの間隔）Ｌと、スポットａ１とスポットｂ１のＸ方向の距離ΔＬを求めることができる。さらにこの可動基板２０の回転角をθとすると、回転角θは、距離Ｌ、ΔＬを下記数１式に代入して求めることができる。
【数１】
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【００１５】
以上の通り本実施形態によれば、可動基板２０のＸ方向およびＹ方向の位置だけでなく、移動方向および移動距離、さらに可動基板２０の回転角θも検出できる。なお、可動基板２０は、２個のＬＥＤ２２ａ、２２ｂから発せられた光が受光面１２に入射してスポットａ、ｂを形成する範囲内で駆動制御される。
【００１６】
以上の実施形態では、二次元位置検出素子１１を固定基板１０に、光源２１を可動基板２０に配置したが、図示しないが別の実施形態では、光源を固定基板に、二次元位置検出素子を可動基板に配置する。
また、この実施形態では発光素子として２個のＬＥＤ２２ａ、２２ｂを備えたが、発光素子の数は２個以上であれば、３個でも４個でもそれ以上でもよい。
【００１７】
次に、本発明の二次元位置検出装置を搭載した実施形態について説明する。図５乃至図９は、図１乃至図４に示した二次元位置検出装置を、デジタルカメラにおいて撮像素子を移動させて手ブレ補正する手ブレ補正ステージ装置に適用した実施形態を示している。
【００１８】
図５は、本発明の二次元位置検出装置を搭載した手ブレ（像ブレ）補正ステージ装置を内蔵したデジタルカメラの縦断側面図である。デジタルカメラ（ボディ）１０１は、複数のレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３からなる撮影光学系を内蔵した撮影レンズ１０３を備え、最後端のレンズＬ３の後方に撮像素子１０５が配設され、撮像素子１０５の撮像面に、撮影レンズ１０３によって被写体像が投影される。撮像素子１０５は、手ブレ補正ステージ装置に保持されて、撮影レンズ１０３の光軸Ｏ１が撮像面の中心を直交して通り、かつ撮影レンズ１０３の設計上の結像面と一致する状態で配置されている。
【００１９】
手ブレ補正ステージ装置は、デジタルカメラ１０１に固定される固定基板１１０と、この固定基板１１０に対して、撮影レンズの光軸Ｏ１に対して直交する面内において移動および回転自在に支持された移動ステージ（可動基板）としてのプリント基板１２０を備えている。撮像素子１０５は、このプリント基板１２０に装着されている。そうしてプリント基板１２０と固定基板１１０に、この撮像素子１０５の位置および回転角を検出する二次元位置検出装置としての光源２１および二次元位置検出素子１１が固定されている。
【００２０】
デジタルカメラ１０１にはさらに、デジタルカメラ１０１のブレ、つまり撮影レンズ１０３の光軸Ｏ１のブレを検出する角速度センサとして、縦（垂直）角速度センサ４５Ｖおよび横（水平）角速度センサ４５Ｈが搭載されている。図６に、手ブレ補正ステージ装置の駆動系の回路構成をブロックで示した。手ブレ補正ステージ装置の駆動系は、図４に示した二次元位置検出回路においてさらに、縦、横角速度センサ４５Ｖ、４５Ｈと、ステージを駆動する駆動手段として３個の駆動用コイルＣＹ、ＣＸ１、ＣＸ２およびこれらの駆動用コイルＣＹ、ＣＸ１、ＣＸ２にそれぞれ通電するドライバ４７ａ、４７ｂ、４７ｃを備えている。
【００２１】
縦、横角速度センサ４５Ｖ、４５Ｈが検出した縦、横角速度信号は演算制御回路４１に入力され、演算制御回路４１は入力した縦、横角速度信号出力に基づいて、撮影レンズ１０３によって投影された撮像面上の被写体像が撮像面に対して相対移動しないように撮像素子１０５を移動させる方向、移動速度および移動量を演算する。そうして演算駆動回路４１は、演算結果に基づいて、ドライバ４７ａ、４７ｂ、４７ｃを介して駆動用コイルＣＹ、ＣＸ１、ＣＸ２に所定方向に通電し、プリント基板１２０を移動させる。その際演算駆動回路４１は、ＬＥＤ２２ａ、２２ｂを交互に点灯し、二次元位置検出素子１１の各出力端子１３ａ乃至１３ｄから検出信号を入力して、プリント基板１２０の位置および回転角を演算し、駆動用コイルＣＹ、ＣＸ１、ＣＸ２への通電を制御する。
【００２２】
本実施形態の手ブレ補正ステージ装置の機械的構成について、さらに図７乃至図９を参照して詳細に説明する。固定基板１１０上には、プリント基板１２０が平行状態を維持して任意の方向に移動、回転自在に支持されている。プリント基板１２０の前面（被写体側面）に、ベース板１３０を介して撮像素子１０５が固定されている。ベース板１３０の前面には角筒状のホルダ１３１が、撮像素子１０５を囲むように固着されている。このホルダ１３１の前端には、長方形の開口１３１ａが形成されている。この開口１３１ａは、撮影レンズによって撮像素子１０５の撮像面に投影される被写体像光がケラレない形状、大きさに形成されている。
【００２３】
ホルダ１３１内には、オプティカルローパスフィルタ１３３が、ホルダ１３１の開口１３１ａを規制する枠部の内周面に当接する状態で配設されている。オプティカルローパスフィルタ１３３と撮像素子１０５の撮像面の外方周縁部との間には、オプティカルローパスフィルタ１３３と撮像素子１０５（撮像面）との間の空間を密閉する押さえ部材１３４が設けられている。
【００２４】
このホルダ１３１は、固定基板１１０に形成された開口１１０ａを、非接触状態で貫通している。開口１１０ａは、ホルダ１３１の像ブレ補正動作の際の移動範囲を規制する大きさ、またはホルダ１３１が像ブレ補正動作において移動する範囲よりも広く形成されている。
【００２５】
ベース板１３０に固定されているホルダ１３１の４つの辺からは、ホルダ１３１を囲むように外方に、固定基板１１０の開口１１０ａを覆うように延びるフランジ部１３２が突設されている。ホルダ１３１の４個の角部近傍のフランジ部１３２と固定基板１１０との間には、フランジ部１３２と固定基板１１０との間隔を一定に保ったまま、フランジ部１３２が二次元面内においていかなる方向へも自由に移動可能に支持する、転がり軸としてボールベアリング１１３が配置されている。
【００２６】
フランジ部１３２の角部は後方に露出していて、この露出部分にばね１１６で押圧された押え軸１１５が、ボールベアリング１１３にフランジ部１３２に接触している。フランジ部１３２に接触する押え軸１１５の先端部は、フランジ部１３２との間で最大静止摩擦、滑り摩擦が小さい素材によって、半球状に形成されている。
【００２７】
以上のボールベアリング１１３および押え軸１１５の作用により、ボールベアリング１１３がフランジ部１３２と固定基板１１０とを転動することでホルダ１３１と固定基板１１０との相対移動を許容するので、ホルダ１３１は二次元平面内においてあらゆる方向に移動自在であり、かつ回動自在に支持される。
以上の実施例ではボールベアリング１１３が接触する固定基板１１０およびフランジ部１３２の両方を平面としたが、一方を半球状の凹面としてボールベアリング１１３を収容し、ボールベアリング１１３が凹面内で回転するように構成してもよい。
【００２８】
プリント基板１２０はプリント基板であって、図示を省略した導線が多数形成されており、この導線が、撮像素子１０５の端子と電気的に接続されている。プリント基板１２０は、ベース板１３０および撮像素子１０５が装着された中央部から、十字方向に４つの突出舌片１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄが形成されている。このうち、３つの突出舌片１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃの背面にはそれぞれ、プリント基板１２０と平行な平面上に、Ｘ方向駆動用コイル（駆動用コイル）ＣＸと、第１、第２のＹ方向駆動用コイル（駆動用コイル）ＣＹ１、ＣＹ２が形成されている。
【００２９】
他の１つの突出舌片１２０ｄの前面に光源２１が実装され、各ＬＥＤ２２ａ、２２ｂのリードがプリント基板１２０の対応する導線と電気的に接続されている。固定基板１１０には、光源２１と対向する位置に二次元位置検出素子１１が固定されている。光源２１と二次元位置検出素子１１の構造および位置関係は、図１に示した実施形態と同様である。
【００３０】
なお、プリント基板１２０の各導線は、プリント基板１２０の移動、回動を妨げないように、図示しないフレキシブルプリント基板を介して引き出され、搭載されたデジタルカメラ１０１内の回路基板に接続されている。
【００３１】
図７に示すように、Ｙ方向駆動用コイルＣＹ、第１、第２Ｘ方向駆動用コイルＣＸ１、ＣＸ１は、各辺が直線状をなす四角形の渦巻き状をなしている。各駆動用コイルＣＹ、ＣＸ１、ＣＸ１は、便宜上導線を数回巻いたものとして図示しているが、実際は数十回巻かれている。そうして各駆動用コイルＣＹ、ＣＸ１、ＣＸ１の両端子はそれぞれ、プリント基板１２０の導線、フレキシブルプリント基板等を介して、ドライバ４７ａ、４７ｂ、４７ｃに接続されている。
【００３２】
固定基板１１０の背面の３カ所には、鉄板等の磁性体からなる断面コ字形のヨークＹＹ、ＹＸ１、ＹＸ２が固着されている。各ヨークＹＹ、ＹＸ１、ＹＸ２の先端部の内面には永久磁石ＭＸ、ＭＹが吸着されている。ヨークＹＸの永久磁石ＭＸは、Ｎ極とＳ極がＸ方向に並んでおり、ヨークＹＸ１、ＹＸ２の永久磁石ＭＸ１、ＭＸ２、は、Ｎ極とＳ極がＹ方向に並んでいる。ヨークＹＸ１、ＹＸ２の先端部は永久磁石ＭＸ１、ＭＸ２と対向しており、両者の間に磁力線が集中する磁気回路を形成している。同様に、ヨークＹＸの先端部と永久磁石ＭＸとの間に磁力線が集中する磁気回路を形成している。ヨークＹＸ１、ＹＸ２の先端部と永久磁石ＭＹの中間に突出舌片１２０ｂ、１２０ｃが、ヨークＹＹの先端部と永久磁石ＭＹの中間に突出舌片１２０ａがそれぞれ非接触で、Ｘ方向移動、Ｙ方向移動およびＸ-Ｙ平面内において回動および回動しながら移動自在に位置している。
【００３３】
いずれか１個の駆動用コイルＣＹ、ＣＸ１、ＣＸ２に通電されると、撮像素子１０５、プリント基板１２０、ベース板１３０がいずれかの一方向に移動する。いずれか２個、例えば駆動用コイルＣＸ１、ＣＸ２に反対方向に移動するように通電すると、プリント基板１２０が回転し、さらに駆動用コイルＣＹに通電すると、プリント基板１２０が回転しながらＸ軸方向に移動する。つまり、通電する３個の駆動用コイルＣＹ、ＣＸ１、ＣＸ２の組み合わせによってプリント基板１２０をＸ方向、Ｙ方向に移動および回転させることができる。
【００３４】
かかる手ブレ補正ステージ装置において、演算制御回路４１は、角速度センサ４５Ｖ、４５Ｈが検出した垂直、水平角速度に基づいて、Ｘ方向、Ｙ方向の駆動速度および駆動距離を演算し、駆動速度、駆動距離に応じて駆動用コイルＣＸ１、ＣＸ２、ＣＹに通電して、プリント基板１２０をＸ方向、Ｙ方向に移動および回転させる。プリント基板１２０が移動および回転すると、二次元位置検出素子１１の受光面上に投影されたスポットａ、ｂが移動し、二次元位置検出素子１１の出力端子１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄから出力される検出信号が変化する。演算制御回路４１は、これらの検出信号に基づいてプリント基板１２０の位置、回転を検出して、駆動用コイルＣＸ１、ＣＸ２、ＣＹへの通電を制御する。
【００３５】
この実施形態は、プリント基板１２０の位置を検出する二次元位置検出装置の発光素子を２個としたので、プリント基板１２０の直交方向の移動だけでなく、回転も検出することができる。したがって、カメラの単純なブレだけなく、光軸周りに回転する手ブレを検出してこの手ブレを補正することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明を適用した二次元位置検出装置の実施形態の主要部を示す縦断面図である。
【図２】同実施形態における二次元位置検出素子の受光面の様子を説明する図である。
【図３】同実施形態における２個の発光素子の発光タイミングを示す図である。
【図４】同実施形態の回路構成をブロックで示す図である。
【図５】本発明を適用した二次元位置検出装置を搭載した手ブレ補正用ステージ装置を備えたデジタルカメラの実施形態を示す縦断面図である。
【図６】同手ブレ補正用ステージ装置の回路構成をブロックで示す図である。
【図７】同手ブレ補正用ステージ装置の要部を示す背面図である。
【図８】図７の切断線VIII-VIIIに沿う断面図である
【図９】図７の切断線IX-IXに沿う断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  固定基板
１１  二次元位置検出素子（ＰＳＤ）
１２  受光面
１３ａ  １３ｂ  １３ｃ  １３ｄ  出力端子
２０  可動基板
２１  光源
２２ａ  ２２ｂ  ＬＥＤ
２３  スポットマスク
２３ａ  ２３ｂ  小孔
４１  演算制御回路
１０１  デジタルカメラ
１０３  撮影レンズ
１０５  撮像素子
１１０  固定基板
１２０  プリント基板
１３０  ベース板
１３１  ホルダ
１３１ａ  開口
１３２  フランジ部
１３３  オプティカルローパスフィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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